原料的選擇及加工處理

1、第四章 原料的選擇及加工處理本章內(nèi)容及要求1. 本章共兩節(jié)，教授課時2學時，通過本章學習，要掌握無機非金屬材料生產(chǎn)過程中原料的種類于加工處理方法。4.1 原料的選擇 4.2 原料的加工處理2. 重點：各種原料的性能特點；原料的改型和改性3. 要求： 掌握粘土的成因、分類與組成； 掌握粘土的工藝特性； 了解石英和長石原料的特點； 了解原料初級加工的方法與任務； 了解原料深加工處理的方法和用途； 掌握原料的改型和改性處理方法。第一節(jié) 原料的選擇一、原料的種類無機非金屬材料的原料種類繁多，但根據(jù)來源可分為天然礦物原料、人工合成原料和工業(yè)固體廢料三種。天然礦物原料：天然礦物原料（特別是非金屬礦物原料）

2、在無機非金屬材料生產(chǎn)中占有十分重要的地位，目前應用較廣泛的有：金剛石、石墨、剛玉、石英、金紅石、水鎂石、橄欖石、鋯石、石榴子石、紅柱石、藍晶石、夕線石、硅灰石、石棉、粘土礦物（高嶺石、蒙脫石、海泡石、累脫石、角閃石、葉蠟石、云母、蛭石、長石、沸石、方解石、菱鎂礦、白云石、重晶石、螢石、石膏、珍珠巖等礦物巖石材料。（一）粘土類原料 粘土是自然界中硅酸鹽巖石（主要是長石）經(jīng)過長期風化作用而形成的一種疏松的或呈膠狀致密的土狀或致密塊狀礦物，是一種或多種含水鋁硅酸鹽礦物的混合體。1、粘土的成因和分類（1）粘土的成因 各種富含硅酸鹽礦物的巖石經(jīng)風化、水解、熱液蝕等作用都可以變成粘土。 （2）粘土的分類按

3、成因分類一次粘土：又稱殘留粘土或原生粘土，即母巖經(jīng)風化崩碎后就地殘留下來的粘土。特 點：質(zhì)地較純，耐火度較高，但顆粒較粗，可塑性較差。 二次粘土：又稱沉積粘土或次生粘土，是由風化而成的一次粘土經(jīng)雨水、河川的漂流及風力作用，而遷移在低洼的地方沉積形成的粘土層。特點：顆粒細小，可塑性強，耐火度較低，常因混入呈色雜質(zhì)而帶各種顏色。按耐火度分類 耐火粘土：耐火度在1580以上。 難熔粘土：耐火度在13501580 之間。 易熔粘土：耐火度在1350 以下。 按可塑性分類 高塑性粘土：顆粒較細，水中易分散，可塑性好，呈疏松狀。如：膨潤土、 木節(jié)土。 低塑性粘土：水中不易分散，較堅硬，可塑性較小，呈致密塊

4、狀。如：葉臘石、 瓷石2、粘土的組成 （1）粘土的化學組成：主要成分是SiO2，Al2O3和結(jié)晶水，同時含有少量堿金屬氧化物(K2O，Na2O)；堿土金屬氧化物(CaO，MgO)；著色氧化物(Fe2O3，TiO2) 等。（2）粘土的礦物組成高嶺石類（Al2O3·2SiO2·2H2O） ：最常見的粘土礦物，由其作為主要成分的純凈粘土稱為高嶺土。吸附能力小，可塑性和結(jié)合性較差，雜質(zhì)少，白度高，耐火度高。蒙脫石類（Al2O3·4SiO2·nH2O,n>2）：遇水體積膨脹形成膠狀物，具有很強的吸附力和陽離子交換能力，以蒙脫石為主要礦物的粘土稱為膨潤土，其顆

5、粒細小，可塑性極強，能提高坯料可塑性和干坯強度，但雜質(zhì)較多、收縮大、燒結(jié)溫度低，坯料中膨潤土的用量一般為5%以下。伊利石類（K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O·nH2O）：又稱水云母，一般可塑性低，干燥后強度小，干燥收縮小，燒結(jié)溫度較低，一般在800左右開始燒結(jié)，完全燒結(jié)溫度在10001150。（3）粘土的顆粒組成 粘土的顆粒組成是指粘土中含有不同大小顆粒的百分含量。粘土礦物顆粒較細，一般直徑在2µm以下。蒙脫石、伊利石類粘土的顆粒比高嶺石類粘土細小。粘土顆粒越細，可塑性越強，干坯強度、干燥收縮也越大。3、粘土的工藝性能 （1）可塑性：

6、是指粘土與適量水混練后形成的泥團，在外力作用下，可塑造成各種形狀而不開裂，當外力除去以后仍能保持該形狀不變的性能。 可塑性指數(shù)：粘土的液性限度（由塑性態(tài)進入流動態(tài)的最高含水量）與塑性限度（由固體態(tài)進入塑性態(tài)的最低含水量）之間的差值。 可塑性指標：指在工作水分下，泥料受外力作用最初出現(xiàn)裂紋時應力與應變的乘積。 強塑性粘土：指數(shù)>15 指標>3.6 中塑性粘土：指數(shù)715 指標2.53.6 弱塑性粘土：指數(shù)17 指標<2.5 非塑性粘土：指數(shù)<1（2）結(jié)合性：指粘土結(jié)合瘠性原料后仍可形成可塑泥料并具有一定干坯強度的能力。一般可塑性強的粘土其結(jié)合力也大。（3）離子交換性：粘土

7、顆粒因表面層的斷鍵和晶格內(nèi)部離子的不等價置換而帶電，它能吸附溶液中的異性離子，這種被吸附的離子又可被其他相同電荷的離子所置換，這種性質(zhì)稱為粘土的離子交換性。交換容量：PH=7時100克干粘土所吸附能交換的陽（或陰）離子的物質(zhì)的量。（4）觸變性：粘土泥漿或可塑泥團當受到振動或攪拌時，粘度降低而流動性增加，靜置后逐漸恢復原狀。此外，當泥漿放置一段時間后，在原水分不變的情況下出現(xiàn)變稠和固化現(xiàn)象，這種性質(zhì)稱為觸變性。厚化度（或稠化度）：以泥漿粘度變化之比或剪切應力變化的百分數(shù)表示。 （5）收縮性：干燥收縮：粘土經(jīng)110干燥后，由于自由水及吸附水排出所引起的顆粒間距離減小而產(chǎn)生的體積收縮。燒成收縮：干燥

8、后粘土經(jīng)高溫煅燒，由于脫水、分解、熔化等一系列的物理化學變化而導致的體積進一步收縮。總收縮：試樣經(jīng)干燥、煅燒后的尺寸總變化。 （6）燒結(jié)性能 開始燒結(jié)溫度：當粘土在煅燒過程中，溫度超過800900以上時，低共熔物出現(xiàn)，并填充在固體顆粒之間，由于其表面張力的作用，使固體顆粒進一步靠攏，引起體積急劇收縮，氣孔率下降，密度提高，這種開始急劇變化時的溫度叫開始燒結(jié)溫度。燒結(jié)溫度：當溫度繼續(xù)升高時，收縮將不斷增大，氣孔率不斷降低。當密度達到最大值時，稱為完全燒結(jié)，此時的溫度叫燒結(jié)溫度。軟化溫度：從粘土試樣完全燒結(jié)開始，溫度繼續(xù)上升，會出現(xiàn)一個體積密度及收縮較穩(wěn)定的階段。持續(xù)一段時間后，如再繼續(xù)升溫，試樣

9、中的液相不斷增多，以至于不能維持試樣原有形狀而變形，此時因發(fā)生一系列化學變化，使試樣內(nèi)氣孔率增大，出現(xiàn)了膨脹現(xiàn)象。出現(xiàn)此情況的最低溫度就叫軟化溫度。燒結(jié)范圍：通常將燒結(jié)溫度到軟化溫度之間試樣處于相對衡定的階段的溫度區(qū)間稱作燒結(jié)范圍。（7） 耐火度：系粘土原料抵抗高溫作用不致熔化的能力。它反映了材料在無荷重時抵抗高溫作用的穩(wěn)定性。耐火度的測量見下圖 圖 試樣的耐火度測定1-熔融開始之前；2-開始熔融，頂端融及底座，到達耐火度；3-高于耐火度的溫度下全部熔融（二）石英類原料 1、石英的種類 自然界中的SiO2結(jié)晶礦物統(tǒng)稱為石英，常用的石英類原料有：脈石英：由含二氧化硅的熔融巖漿充填于地殼表層的巖隙

10、中經(jīng)急冷凝固成為致密狀結(jié)晶態(tài)石英，并呈礦脈狀產(chǎn)出。SiO2含量可高達99%，雜質(zhì)很少，外觀呈白色，半透明，有油脂光澤，硬度高，是陶瓷秞料和優(yōu)質(zhì)玻璃的好原料。砂巖：石英顆粒被膠結(jié)物膠結(jié)而成的一種碎屑沉積巖。 SiO2含量為9095%，多呈白、黃、紅等顏色。石灰質(zhì)、粘土質(zhì)、石膏質(zhì)、硅質(zhì)砂巖等。石英巖：系硅質(zhì)砂巖經(jīng)變質(zhì)作用，石英顆粒再結(jié)晶的一種變質(zhì)巖。 SiO2含量為97%以上，外觀呈灰白色，有鮮明光澤，硬度高，斷面致密 。石英砂：是由含硅高的巖石（如花崗巖、正長巖等）風化而成碎屑，經(jīng)流水搬運，在河流、湖泊、海濱沉積而成。其粒細，不用破碎，但雜質(zhì)含量多，成份波動大。硅藻土：由吸收溶解于水中的部分二氧

11、化硅的微細硅藻類水生物死亡后演變而成的產(chǎn)物。質(zhì)輕多孔，吸水和吸附能力強，熔點高，常用于隔熱和隔音材料。燧石：含SiO2溶液經(jīng)化學沉積在巖石夾層或巖石中的隱晶質(zhì)SiO2。2、石英的性質(zhì)石英的外觀因種類不同多呈乳白色、灰白色、半透明狀，其斷面具玻璃或脂肪光澤，莫氏硬度為7。密度波動于2.222.65，熔點1710，熱膨脹系數(shù)小，傳熱性差，不導電。在常壓下石英有七種結(jié)晶態(tài)和一個玻璃態(tài)，這些晶態(tài)在常壓和在一定的溫度條件下其結(jié)晶型態(tài)、結(jié)構(gòu)會互相轉(zhuǎn)化，并伴有體積會發(fā)生變化。 （三）長石類原料 長石是一種常見的造巖礦物，約占地殼總質(zhì)量的50%。結(jié)構(gòu)：屬空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)硅酸鹽?；瘜W組成：堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽

12、，主要是含鉀、鈉、鈣和少量鋇的鋁硅酸鹽。1、長石的種類正長石亞族：正長石亞族是鉀、鈉長石的連續(xù)類質(zhì)同相系列，含正長石、透長石、微斜長石。正長石：解理面交角為直角。理想化學組成同鉀長石。?；烊隢a2O，CaO等。透長石：正長石的高溫變體(>900)。微斜長石：解理交角呈89º40'，含Na2O,含量超過K2O時稱鈉微斜長石或歪長石。斜長石亞族：鈣、鈉長石的連續(xù)類質(zhì)同相系列。解理面交角86º，化學組成為 (100-n)NaAlSi3O8nCaAl2Si2O8，其中n0100。此外,往往有鉀長石以類質(zhì)同相混入物存在。鋇長石亞族：是鉀、鋇長石類質(zhì)同相系列，解理面交角近

13、90º。2、長石的性質(zhì)鉀長石：具有很寬的熔融范圍（1150 1530），熔化轉(zhuǎn)變成白榴石(K2O·Al2O3·4SiO2)和氧化硅。高溫下鉀長石熔體的粘度很大，且隨溫度的增高降低得很慢。鈉長石：鈉長石的熔化溫度較低，約1120，熔化時無新相產(chǎn)生，液相的組成與晶相相同，粘度較低。在燒成過程中易引起坯體變形，但有利釉面的平整度。與鉀長石相比較，能迅速燒結(jié)和熔融，并能大量溶解石英和粘土。鈣長石：鈣長石的熔點較高(1550)，熔融溫度范圍窄，高溫下熔體不透明，粘度也小，故斜長石在陶瓷生產(chǎn)中多不采用。鋇長石：鋇長石的熔點更高(1710)，熔融溫度范圍不寬，普通瓷制品不選用。

14、但其電學性能好，特別是介電損耗低，是無線電陶瓷的主要原料。 人工合成原料應用較廣泛的有氧化鋁、氧化鋯、莫來石、碳化硅、氮化硅、碳化硼、塞龍（Sialon）材料等。塞龍材料是以組成這種材料的四種元素（Si，Al，O，N）的符號首字母來命名的，化學式為Si6-nAnlOnN8-n ，當n=4.2時可得到一種單相固溶體相賽龍，賽龍可由細分散的SiN粉、Al粉和剛玉粉的混合物在18001900攝氏度，100300MPa下熱壓產(chǎn)生。賽龍材料高溫時強度高，耐氧化、熱膨脹性小、導熱性中等，有較好的穩(wěn)定性和耐磨性而成為一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料。人工合成新原料正在不斷出現(xiàn)，在許多無機非金屬新材料中得到了廣泛的應用

15、。工業(yè)固體廢料工業(yè)固體廢料主要有粉煤灰、爐渣、礦渣、煤矸石、尾礦及其它工業(yè)固體廢料，在新型建筑材料特別是墻體材料中得得到廣泛應用。結(jié)合劑原料和添加劑原料分無機粘結(jié)劑、有機粘結(jié)劑、復合粘結(jié)劑三種，各類添加劑原料種類更多，將在后續(xù)章節(jié)中分別介紹。二、原料選擇的依據(jù)大多數(shù)無機非金屬材料是由上述多種原料制成的。為了在選用原料時做到主次分明，也可以把原料大致分為主要原料（基本原料）、輔助原料和結(jié)合劑（粘結(jié)劑）及添加劑。主要原料是形成材料產(chǎn)品使用性能的基礎，輔助原料用于協(xié)助主料達到或改善材料產(chǎn)品的使用性能，并在工藝過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。結(jié)合劑一般用于改善材料的成型條件，使坯體或制品形成一定的形狀。添加劑主要

16、用于對制品性能和外觀特征進行局部性調(diào)整（如著色等）。無機非金屬材料的結(jié)合劑和添加劑可以是無機的，可以是有機的，也可以是金屬的。原料選擇的依據(jù)是：（1）原料的選用既要考慮其化學組成和結(jié)構(gòu)特性，還必須充分考慮或利用物相在制造和使用過成中的晶形、體積變化和與介質(zhì)的化學反應。很多天然原料，如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、藍晶石、蛭石等在加熱或冷卻過程中伴隨有晶形變化和體積變化。ZrO2在室溫下的穩(wěn)定晶形為單斜晶體，但在1000oC以上轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄危殡S有很大的體積變化。石英在不同的溫度下具有多種晶形變化和體積變化，這種變化對材料性能都會產(chǎn)生一定的影響。故要注意各種原料在生產(chǎn)過程中的相變和體積變化及對材料

17、性能的影響。（2）原料品質(zhì)（成分、粒度、雜質(zhì)）波動范圍小。（3）盡量選用成分、結(jié)構(gòu)、物理化學性能與所設計材料產(chǎn)品性能相適應的原料。（4）原料特點要適應加工工藝技術條件的要求。（5）原料來源豐富、價格低廉，在生產(chǎn)過程中沒有環(huán)境污染或環(huán)境污染性很小。第二節(jié)原料的加工處理一、原料的初加工1初加工概念初加工是指傳統(tǒng)的礦物、巖石原料的機械加工，包括礦物、巖石原料的破碎、篩分、磨礦、分級等粒級加工，以及提高有用礦物原料品位為主要目的的選礦加工。破碎: （1）定義：是指在外力作用下，固體物料克服質(zhì)點間的內(nèi)聚力，使大塊物料變成細小顆粒的總過程。 （2）方法與分類表粉碎作業(yè)分類篩分：（1）定義：篩分是一種應用較

18、廣泛的分級作業(yè)，將散狀物料置于具有一定尺寸篩孔的篩面上，通過篩面和物料間的相對運動，即可使物料以篩孔尺寸為標準劃分為篩上料和篩下料。（2）作用：使原料顆粒適合于下一制造工序的需要；在粉碎過程中及時篩去符合細度的顆粒，使粗顆粒得以充分粉碎，提高設備粉碎效率。選礦：（1）定義： 選礦是利用不同礦物的物理、化學性質(zhì)的差異，將礦物集合體的原礦粉碎，分離出不同礦物并加以富集的操作。 （2）方法： 按照顆粒的粒度來進行選礦：主要用于松散的小顆粒的或土狀的巖石，如砂、粘土等，可采用水淘洗或空氣分離器來進行選礦。按照顆粒的形狀進行選礦：主要用于具有片狀或針狀的結(jié)晶礦物(如云母、石棉等)。按照密度來進行選礦：密

19、度相差很大而顆粒大小相同的礦物所構(gòu)成的松散物料，經(jīng)淘洗或空氣分離器，密度大的礦物降落在近處，而密度小的則落在較遠處。浮選法：是利用顆粒被液體潤濕的程度的差別，即表面潤濕性質(zhì)的差異來進行選礦的。 磁選：是基于不同的礦物有不同的導磁系數(shù)，在磁選機中進行分選的方法。 化學選礦：目前制備高純原料的重要手段。它是利用一系列化學及物理化學、生物化學反應，將物料中有用成分提取出來的方法。原料的熱處理： 幫助碎化原料：大塊的石英巖質(zhì)地堅硬，粉碎困難。利用石英573晶型轉(zhuǎn)變所發(fā)生的體積效應，將石英在粉碎前預燒，然后急冷，使之產(chǎn)生內(nèi)應力，原料變脆，可以大大提高粉碎效率。改變結(jié)構(gòu)形態(tài)：特殊結(jié)構(gòu)原料（層、片狀）成型時

20、易造成分層和顆粒定向排列，引起產(chǎn)品變形和開裂。大量使用時應進行預燒，使其發(fā)生轉(zhuǎn)變，破壞原有的片、層狀結(jié)構(gòu)。減小收縮：可塑性很強的粘土，用量較多時，易使坯體在干燥和燒成過程中產(chǎn)生較大的收縮，導致制品開裂報廢。為減少這類損失，有時將一部分粘土預燒成熟料，以降低坯體的收縮。穩(wěn)定晶型：SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2等都有幾種同質(zhì)多晶體，加熱過程中都有晶型轉(zhuǎn)變并伴有體積效應。同時，各個結(jié)晶形態(tài)的性能也不一樣。對于這類原料在使用之前一定要進行預燒，使其發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，得到所要求的晶型。2初加工的任務初加工的任務是為無機非金屬材料工業(yè)部門提供礦物（巖石）單體顆粒粒級尺寸及有用礦物品位均合格的原料礦物

21、，要求盡量保持及發(fā)揮目的礦物固有的技術物理性能和化學性能。二、原料的深加工深加工概念深加工是指經(jīng)過初加工（破碎、篩分、磨礦、分級等粒級加工以及提高有用礦物品位為主要目的的選礦加工）后的礦物或巖石產(chǎn)品，再進一步進行深度的精細加工，使之在主要技術物理及界面化學性能上能符合高檔次高性能產(chǎn)品的要求。深加工的主要方法（一）精細提純1. 堿溶法提純：如石墨的加工提純；經(jīng)過浮選后的石墨精礦中，雜質(zhì)主要是極細粒浸染在石墨鱗片中的硅酸鹽礦物和鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等的化合物，除去這些雜質(zhì)最有效的辦法是采用“堿溶水浸酸洗”的處理辦法。其基本原理是在500高溫下石墨中的雜質(zhì)與氫氧化鈉起反應，一部分生成溶于水的反應產(chǎn)物，

22、被水浸出除去。而鐵的氧化物在堿溶后用鹽酸中和，生成溶于水的氯化鐵，通過洗滌而除去。主要加工設備是錨式攪拌機、熔融爐、V型洗滌槽、WG800刮刀離心機、回轉(zhuǎn)圓筒干燥機等。如圖4-1所示。2. 酸溶法提純：在許多原料的提純作業(yè)中，最有害的雜質(zhì)是各種含鐵物質(zhì)。用酸溶（浸）法往往獲得較好的效果。該方法的基本原理是各種含鐵的雜質(zhì)可以與各種酸起化學反應，生成可溶于水的化合物，在固液分離中隨溶液去掉。石英砂、硅藻土、石墨等礦物原料的提純均可用此方法。提純設備有機械攪拌浸出槽、高壓釜浸出器等，見圖4-2，4-3。3. 氧化還原漂白提純：非金屬礦物原料中有害的著色雜質(zhì)主要是有機質(zhì)（包括碳、石墨等）和鐵、鈦、錳等

23、礦物，如黃鐵礦、褐鐵礦等。由于有機質(zhì)通過煅燒等方法容易除去，因此上述金屬氧化物成為提高礦物白度的主要處理對象。采用強酸溶解的方法，固然能將上述鐵、鈦化合物大部分除掉，但是，強酸（如鹽酸、硫酸等）在溶解氧化鐵、氧化鈦的同時，也會溶解氧化鋁，從而有可能破壞高嶺土等類礦物的晶格結(jié)構(gòu)。因此，氧化-還原漂白法在非金屬礦物漂白提純中占有重要的地位。目前常用的漂白方法包括氧化法、還原法、氧化-還原聯(lián)合法等三種，其中還原法應用得最廣泛。A氧化漂白法高嶺土等粘土類礦物中含有黃鐵礦、有機物時，常使礦物呈灰色。這些物質(zhì)用酸洗和還原漂白均難除去。氧化漂白法是采用強氧化劑，在水介質(zhì)中將處于還原狀態(tài)的黃鐵礦等氧化成可溶于

24、水的亞鐵。同時，將深色有機質(zhì)氧化，使其成為能被洗去的無色氧化物。所用的強氧化劑包括次氯酸鈉、過氧化氫、高錳酸鉀、氯氣、臭氧等。以黃鐵礦被次氯酸鈉氧化的反應為例，其反應公式如下：FeS2+8NaClO Fe2+8Na+2SO42-+8Cl-在較強的酸性介質(zhì)中，亞鐵離子是穩(wěn)定的。但當PH值較高時，亞鐵則可能變成難溶的三價鐵，失去其可溶性。除了PH值的影響外，氧化漂白還受到礦石特性、溫度、藥劑用量、礦漿能度、漂白時間等因素影響。圖4-4是高嶺土氧化漂白生產(chǎn)流程。B還原漂白法連二亞硫酸鹽漂白法：對粘土類礦物進行還原漂白時最常用的連二亞硫酸鹽是連二亞硫酸鈉，又稱低壓硫酸鈉，工業(yè)上又稱為保險粉，分子式是N

25、a2S2O4。工業(yè)上可利用鋅粉還原亞硫酸來制得。保險粉是一種強還原劑，碘、碘化鉀、過氧化氫、亞硝酸等都能被它還原。粘土類礦物中存在的三價鐵的氧化物，不溶于水，在稀酸中溶解度也較低。但若礦漿中加入保險粉，氧化鐵中三價鐵可能被還原為二價鐵。由于二價鐵易溶于水，經(jīng)過濾洗滌即可除去。其主要反應為：Fe2O3+Na2S2O4+H2SO4=Na2SO4+2FeSO3+H2O影響這一還原反應過程的因素很多，但主要是礦漿酸度、溫度、藥劑用量和反應時間、加入添加劑等。C氧化還原聯(lián)合漂白工藝：將高嶺土進行煅燒氧化，再與水調(diào)制成30%的礦漿濃度，放入攪拌器中攪拌，加入連二亞硫酸鈉再次漂白，然后過濾干燥，可得到高純度

26、的高嶺土原料。4. 高溫煅燒提純高溫煅燒作為一種提純手段，主要是將非金屬礦物中比較容易揮發(fā)的雜質(zhì)（如碳質(zhì)、有機質(zhì)等，以及特別耐高溫的礦物中耐火度較低的礦物通過煅燒而揮發(fā)掉。對于許多礦物，煅燒處理同時具有提純和改性兩種功能，這里只涉及提純，改性的內(nèi)容，將在后面有關章節(jié)中介紹。A石墨煅燒提純石墨的這種提純方法又叫熱力精練法，其基本原理是利用石墨能耐高溫的性質(zhì)，把石墨置于特別的電爐中隔絕空氣加到2500時，石墨中的灰分雜質(zhì)被蒸發(fā)出去，而石墨則再結(jié)晶，從而使石墨的純度大大提高。石墨的高溫提純是在特別的純化爐中進行的。這種爐用耐火磚砌成，兩端插入石墨電極，通入4570V低壓交流電。電流大小隨爐子的規(guī)格尺

27、寸而定，一般都在4000A以上，由單相電爐變壓器供給。爐內(nèi)溫度開始時直線上升，達到2500時，保持72小時。石墨在純化過程中需要嚴格保溫、絕緣并與空氣隔絕，多用粒度小于200目的炭黑作為保溫絕熱材料，也有用石英和焦碳混合物（粒度510mm）作為覆蓋層。這種高溫提純能使石墨提純到99.9%。如果在純化爐內(nèi)通入氯氣和氟氣，最后通人氮氣，可使雜質(zhì)更容易揮發(fā)，可將石墨純度提高到99.9999.999%,而且可使純化溫度適當縮短。采用高溫法提純石墨，雖可得到光譜純的石墨產(chǎn)品，但該法耗費大量電能，而且純化所需時間較長，一般需要延續(xù)幾晝夜。同時還需使用較多的含碳材料作為充填材料，在石墨純化過程中，這些材料有

28、一部分被燒透。從國外對高溫純化石墨的研究資料表明，石墨雜質(zhì)的析出速度取決于純化爐的構(gòu)造，而與純化時間無關。石墨經(jīng)純化后，其灰分總量在10-3%（以重量計）以下，其中Fe、Al、B、Mn、Cu、Mg含量小于或等于（13）x10-5%(重量計)，Si及Ca含量低于10-4%（重量計）。對石墨純化過程中雜質(zhì)分離的動力學研究表明，在氯或氟的氣氛中升溫至20002200時，大多數(shù)雜質(zhì)含量降低2個數(shù)量級，所需時間為1030分鐘。因此認為，石墨純化時間不應超過幾十分鐘。B硅藻土煅燒提純由于硅藻土是一種生物硅質(zhì)沉積巖礦物，因此原礦中不可避免地伴生有大量的有機質(zhì)和粘土類礦物。由于硅藻土的特殊孔隙結(jié)構(gòu)，賦存于空隙

29、內(nèi)的雜質(zhì)很難用常規(guī)選礦方法除去。雖然酸浸法能提高硅藻土品位，除去其中許多有害雜質(zhì)，但由于硅藻土吸附能力極強，適得酸溶液中的某些雜質(zhì)又會進入硅藻；同時酸洗的成本較高，又容易造成嚴重的環(huán)境污染，因而并非硅藻土提純的最佳方法。煅燒法是提純硅藻土的有效方法之一，尤其是對于除去其中的有害雜質(zhì)具有良好的效果。例如對騰沖產(chǎn)硅藻土進行煅燒，使溫度升高到8000C（保持2小時）時，其SiO2品位從89.07%提高到94.31%，再升高溫度SiO2含量變化不大。這說明，在8009000C溫度下，硅藻土中的有機質(zhì)及揮發(fā)性物質(zhì)已基本除盡。相反，過高的溫度會破壞硅藻結(jié)構(gòu)。還原絡合處理后，高溫煅燒除了燒掉殘存的有機質(zhì)以外

30、，當加溫到5906000C時，其中夾雜的高嶺土等粘土礦物發(fā)生吸熱反應，發(fā)生分解并失水：AlSi2O3（OH）4Al2Si2+H2O有時局部出現(xiàn)Al2(SiO)3等復鹽的反應過程。復鹽受熱后又分解產(chǎn)生Al2O3、Al2O3的同質(zhì)多相體，他們在隨后的酸洗過程中，與熱鹽酸反應，生成可溶性鹽而被除掉，從而使硅藻土得到提純。C滑石煅燒提純在某些類型的滑石礦中，有時伴生滑石石墨片巖。由于富含雜質(zhì)，使得滑石呈深灰色甚至黑色，這將嚴重影響其應用。提純這種滑石的一般方法是，將礦石在120013000C下煅燒，然后進行篩分和磁選處理。例如某些滑石礦采用這種方法處理，使滑石中成分MgO從23.21%降至22.13%

31、，SiO2含量從64.76%提高到68.52%, Al2O3含量從1.50%提高到6.85%，CaO從0.35%降至0.30%，F(xiàn)e2O3由1.20%降至0.25%, TiO2由0.48%降至0.05%。棲霞滑石礦占總礦量20%的三級黑滑石，經(jīng)煅燒后除去石墨，得到的高級產(chǎn)品用于出口。D高嶺土煅燒提純在煤系高嶺土中，由于其中含有碳及有機質(zhì)，高嶺土常呈灰黑色，對于次生堆積-變質(zhì)型高嶺土，也常受到其他顯色有機物的污染。采用化學氧化法，雖然能漂白，但最簡單、最有效而且無廢水污染的方法則是對其進行煅燒處理。煅燒不但能除掉有機污染，提高其純度和白度，而且作為一項專門處理工藝，煅燒還起到改善高嶺土性能的作用

32、。在普通地層粘土及土壤中，有機質(zhì)只有一小部分以游離狀態(tài)存在，而絕大部分是與土壤中礦物質(zhì)相互結(jié)合。這些有機質(zhì)主要是腐殖酸，其中含有各種官能團，如羥基（-COOH）、酚羥基（酚-OH）、醇羥基（醇-OH）甲氧基（-OCH）、醛基（-CHO）、羰基（C=O）、醌基等。其中羰基、醛基、醌基是顯色基因，因此，含有機質(zhì)的高嶺土的顏色主要與炭質(zhì)及上述顯色基團有關。當高嶺土受到煅燒時，這些有機質(zhì)被分解氧化而揮發(fā)掉，高嶺土白度回顯著提高。蘇州某次生堆積-變質(zhì)型高嶺土，其自然白度僅為71%。將其按特級瓷土的機選生產(chǎn)工藝加工處理后，其自然白度提高到近80%，其化學成分：SiO2 43.70%、Al2O3 36.68

33、%、Fe2O3 0.36%、總有機質(zhì)0.48%。將其在不同溫度下煅燒的結(jié)果見表3-13。隨著溫度的升高，有機質(zhì)含量逐漸下降，雖然Fe2O3含量略有上升，但白度卻大幅度的提高。非金屬礦物原料焙燒和煅燒設備分為連續(xù)式焙燒和間歇式焙燒兩種。前者有隧道窯、回轉(zhuǎn)窯、旋轉(zhuǎn)立窯等。后者有倒焰窯、梭式窯等。就焙燒過程中物料在窯爐中運動狀態(tài)而言，可分為三種：固定床靜態(tài)間接加熱焙燒窯（遂道窯、梭式窯、倒焰窯），這種窯型物料均放在匣缽中靜態(tài)間接加熱焙燒。半固定床狀態(tài)焙燒窯，如回轉(zhuǎn)窯、旋轉(zhuǎn)立窯等，與物料接觸部分旋轉(zhuǎn)運動，其它部分固定，物料可旋轉(zhuǎn)翻動。流化床動態(tài)窯，物料在焙燒過程中處于流化狀態(tài)，有利于傳熱和均勻焙燒。（

34、二）超細粉碎及精細分級：在非金屬礦物原料加工中，一般將d10µm的粉體物料稱為“超細粉體”。超細粉體由于粒度細、質(zhì)量均勻、缺陷少，因而具有一系列特殊的應用性能。如比表面積大、表面活性高、化學反應速度快、溶解度大、燒結(jié)溫度低且燒結(jié)體強度高、作為復合材料補強材料性能好以及獨特的電性、磁性、光學性能和流變性等等。超細粉體的應用始于本世紀第二次世界大戰(zhàn)之后，尤其是近二十年來，隨著以信息技術、微電子技術、新材料、新能源技術、航空航天技術、生物技術、環(huán)保技術等為特征的現(xiàn)代高技術產(chǎn)業(yè)的崛起以及對超細粉體特殊性質(zhì)的認識和超細粉體加工制備技術的發(fā)展，非金屬礦物超細粉體在現(xiàn)代工業(yè)和高技術新材料的相關領域

35、得到了廣泛的應用。超細粉碎的主要方法有機械式超細粉碎、氣流式超細粉碎和精細分級等深加工方法。超細粉碎是非金屬礦深加工的最重要技術之一。隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代高技術陶瓷原料，新型涂料、油漆、橡膠、塑料、造紙等的填料，以及微電子材料、航空航天密封材料、高級耐火材料及保溫隔熱材料、精細磨料及摩擦材料、化學復合材料等對非金屬礦超細粉料的要求迅速增長。許多工業(yè)部門要求非金屬礦固體粉末應具有較細的顆粒、嚴格的粒度分布、規(guī)整的顆粒外形和極低的污染程度。例如石墨、滑石、高嶺土、硅輝石、云母、重晶石、碳酸鈣、膨潤土、硅藻土等的非金屬礦超細粉末，有的粒度要求很細，平均粒徑僅數(shù)微米，甚至1um以下；有的要求粒度分

36、布狹窄，產(chǎn)品中的粗大顆粒里含量極低，甚至完全沒有；有的要求顆粒表面光滑，沒有棱角、凸起或凹陷，顆粒形狀應接近于球形、圓形、方錘形、針形或其他規(guī)整形狀；有的要求有較高的純度，雜質(zhì)允許含量常以百萬分（ppm）計。許多白色粉體，尤其不能被帶色的金屬（鐵、錳、鉻、釩、銅等）氧化物雜質(zhì)所污染。所有這些要求，都要通過微粉碎、超微粉碎以及精細分級來實現(xiàn)。由于超細粉碎過程中的物料細度達微米級，與粗粒粉體相比，具有顯著不同特點：首先，微米級產(chǎn)品的比表面積和表面能很大，因此在粉碎過程中，顆粒與顆粒間的相互作用力大大增加，相互吸附、粘結(jié)的趨勢增大，在一定程度上，顆粒處于粉碎與聚結(jié)的可逆動態(tài)過程；其次，隨著礦物粒度減

37、小，礦物成礦過程中形成的晶體缺陷減少，抵抗外力的強度相對增大。因此，在超細粉碎過程中，一般需要同時設置精細分級設備，以便及時分級合格微細粒，避免微細顆粒的再聚集。另外，通過填加粉碎助劑（助磨劑），可以降低微細礦粒的強度，改善磨礦和環(huán)境，提高超細粉碎的效率。超細粉碎工藝的關鍵是超細粉碎設備，包括各種機械式和氣流式粉碎機。除此之外，還有精細分級機，產(chǎn)品輸送、介質(zhì)分離、除塵、檢測等設備，與主機共同構(gòu)成超細粉碎系統(tǒng)。超細粉碎設備包括微粉碎機和超微粉碎機。目前對超細粉碎設備的分類雖然還不太一致，但從產(chǎn)品粒度要求看，大體可分為球磨機、輥式轉(zhuǎn)動磨機、介質(zhì)攪拌磨機和氣流分碎機等。為了開發(fā)非金屬礦的深加工及制品

38、，近年來許多國家都大力研究微粉碎和超微粉碎技術設備，主要包括機械式和氣流沖擊式粉碎機兩大類。機械式粉碎機包括震動磨機、懸輥式粉碎機、攪拌磨機、塔式粉碎機、膠體磨機、離心磨機、擠壓磨機、高速粉碎機等。它們大都屬于微粉碎設備，雖然對于硬度較低的脆性物料，也能起某種程度的超微粉碎作用，或?qū)δ承┚奂w或凝聚體形態(tài)存在的物料，也能起某種程度的超微解磨作用，但用這些設備生產(chǎn)的產(chǎn)品細度、粒度分布、產(chǎn)品純度等，往往難以達到工業(yè)應用部門的要求。而作為超微粉碎設備的氣流粉碎機，其產(chǎn)品在細度、粒度分布、純度等方面則顯示出優(yōu)良性能。從60年代到70年代，發(fā)達國家的氣流粉碎機技術迅猛發(fā)展。到80年代，氣流粉碎技術進入穩(wěn)

39、定成熟期。我國曾于60年代開始研制小型扁平式和等截面循環(huán)管式氣流粉碎機，近年來又引進、消化吸收研制了一些新機型，并在石墨、滑石、高嶺土、硅灰石、硅藻土、云母、重晶石、膨潤土等非金屬礦產(chǎn)品的深加工中得到應用。但是，我國氣流粉碎機的設計、制造水平與發(fā)達國家相比還有一定差距，機械式粉碎機還仍是粉體加工的主要設備之一。 機械式超細粉碎設備及工藝機械式超細粉碎設備是依靠高速旋轉(zhuǎn)的各種粉碎體，如回轉(zhuǎn)齒盤上的齒柱、旋轉(zhuǎn)的粉碎錘頭和粉碎葉輪上的葉片等，來碰撞因離心力而分散在粉碎室內(nèi)壁處的粗顆粒，或者賦于這些礦粒以線速度，使顆粒之間發(fā)生沖擊碰撞。這類粉碎機包括懸輥式粉碎機（圖4-5）、振動磨機、攪拌磨機（圖4-

40、6、4-7）、塔式粉碎機、膠體磨機、離心磨機、擠壓磨機、高速粉碎機等。 氣流式超細粉碎設備及工藝氣流粉碎機是利用高壓氣流使物料之間相互受到?jīng)_擊（碰撞）、摩擦及剪切作用而達到粉碎目的，是一種應用廣泛、高效的超微粉碎設備。常用的主要有扁平式（圖4-8）、循環(huán)管式、特羅斯特型及流態(tài)化床式（沸騰床式）氣流粉碎機等。氣流粉碎機是最常用的原料超細粉磨設備之一，其產(chǎn)品粒度一般可達15um。經(jīng)過預先磨礦，降低入磨粒度，這種磨機可得到平均粒度小于1um的產(chǎn)品。除了產(chǎn)品粒度細外，氣流粉碎產(chǎn)品還具有粒度分布較窄、顆粒表面光滑、形狀完整、純度高、活性大、分散性高等特點。因此，氣流粉碎機作為先進的超細粉碎設備，廣泛應用

41、于非金屬礦和化工原料的超細粉碎加工。 （三）礦物改型和改性非金屬礦物原料的改型和改性，也是非金屬礦物深加工的主要方式之一。它可以隨著科學技術的發(fā)展水平和工業(yè)應用的需要，選擇適當?shù)靥幚矸椒?，有目的地改變礦物或其表面的物理化學性能，以提高其使用價值和開拓新的應用領域。改型和改性的定義：改性：凡是能改變非金屬礦物的離子交換種類和可交換性，改變礦物結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙率和膨脹性，改善礦物的吸附性，表面親油（親水）性及其他各種物理化學性能的技術，均可認為是對非金屬礦物的改性。改型可以認為是改性的一種特殊型式，專指膨潤土等礦物通過化學處理而使可交換性陽離子種類發(fā)生變化的深加工工藝技術。改性的方式1、化學處理改性通

42、過礦物與酸、堿、鹽等化合物作用，改變或改善礦物的理化性能。通過化學處理改性，可以改變礦物結(jié)構(gòu)內(nèi)部的可交換陽離子種類，甚至可在礦物結(jié)構(gòu)內(nèi)部生成特殊的化合物，從而使礦物的物理化學性能有極大改變?；瘜W處理的原則是:用酸浸出原料中的金屬鹽和堿(土)金屬物質(zhì)，用堿浸出非金屬氧化物。如鱗片石墨在酸和氧化劑作用下，層片結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一種特殊的層間化合物從而成為具有特殊性能的可膨脹石墨。粘土類礦物經(jīng)過酸等處理后，其吸附性能、離子交換性能、和其它性能均得到明顯改善?；钚园淄林苽?人工鈉化土,合成沸石,天然沸石改型,各類吸附催化劑、化學漂白,各類粘土或非粘土礦物的吸附、脫色,催化劑與載體功能材料的加工制備等都可通過因

43、此，化學處理法已成為對非金屬礦物進行改性的最廣泛的方法之一?；钚园淄林苽?人工鈉化土,合成沸石,天然沸石改型,各類吸附催化劑、化學漂白,各類粘土或非粘土礦物的吸附、脫色,催化劑與載體功能材料的加工制備等都可通過化學處理改性方法而獲得。其中有些改性產(chǎn)物實際上已改變了原有礦物成分、晶體結(jié)構(gòu)與元素組分,變成了新的一類人造礦物。如果能在非金屬礦物提純或活化(酸,堿等浸出)中獲得金屬、金屬氧化物及其鹽的副產(chǎn)品,這將是今后非金屬礦產(chǎn)及其尾礦綜合利用的發(fā)展方向。與非金屬礦產(chǎn)不同,金屬礦產(chǎn)的化學處理,主要是實現(xiàn)化學選礦與濕法冶金。其主要目的是處理低品位、細嵌布、難選的貧礦,浸出有用元素,最終獲得化學精礦或單獨

44、產(chǎn)品(金屬或金屬化合物)。在金屬礦產(chǎn)的化學處理中,被浸去融入溶劑的是有用元素,它是以離子形式存在的,須要經(jīng)過一系列化學反應手段回收處理,包括離子交換,溶劑萃取,離子沉淀及置換沉淀等工藝獲得化學精礦。如進一步采用電解等方法(可溶性陽極或不溶性陽極電解等方法),可直接制取金屬產(chǎn)品.目前較為成熟的化學處理改性工藝有：膨潤土的化學處理改性（鈣基膨潤土的鈉化，活性白土的制備，膨潤土凝膠，有機膨潤土制備)、石墨的化學處理改性（石墨層間化合物、膨脹石墨、氟化石墨）、沸石的化學處理改性、海泡石和凹凸棒石的化學處理改性等。舉例：膨潤土的化學處理改性（改型）（1）膨潤土改性的基本原理（2）常見的膨潤土改性鈣基膨潤土的鈉（或鋰）化 向鈣基膨潤土中加入一些鈉鹽或鋰鹽（碳酸鈉或碳酸鋰）用Na+（或Li+）置換蒙脫石層間的Ca2+、Mg2+，從而轉(zhuǎn)化為鈉（鋰）基膨潤土。膨潤土的酸化 在強酸性溶液中，